专利名称：高功率、高脉冲重复频率的小型脉冲化激光二极管驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光二极管驱动器，更详细地说，本发明涉及一种高功率、高脉冲重复频率(PRF)、脉冲化激光二极管驱动器。
一般说来，激光驱动器主要地分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器。尽管气体激光器和固体激光器可产生高输出功率，但它们既笨重，价格又贵。而且，它们还表现出效率变坏。另一方面，半导体激光器体积小、重量轻、价格低廉且效率高。由于半导体激光器具有这些优点，故近年来半导体激光器的应用日渐增长。
虽然半导体激光器有这么多优点，但它有一个缺点阻抗很低。由于这样一个很低的电阻，半导体激光器需要一个激光驱动器来作为用于激活半导体激光器的高功率的功率传送器件。
现有的高功率脉冲化激光驱动器具有很高的电路阻抗。由于在驱动器电路(高阻抗)和激光器阵列(极低的阻抗)之间严重的阻抗失配，电能不是用于使激光器阵列工作，而是以热的形式丢掉了。然而，为使高功率半导体激光器运行，应该给半导体激光器加上超过其阈值电平的电流。因此，必须用增加脉冲偏压的办法来补偿以热的形式损失掉的能量。
为此，现有的高功率脉中化驱动器被设计为具有高得多的功率容量。这就需要有功率比之更高的半导体开关。
在现有的高功率脉冲化驱动器中，随着被损耗掉的能量的增加，所需要的半导体开关的功率容量将急剧上升。结果，使激光驱动器的性能诸如输出激光脉冲的上升时间和下降时间、输出的激光脉冲的脉冲宽度和脉冲重复频率将急剧地变坏，同时驱动器的外形尺寸和重量也将增大得使人不能接受。
当一个具有GaAlAs pn结的半导体激光二极管被正向偏置时，来自n型材料的电子和来自p型材料的空穴复合，释放了结上的光能。该光能包括宽范围的波长，其范围为从大大超过1000nm(1000×10-9m)到红光区。
半导体激光二极管工作时的一个关键参数是所加电流电平。在低电流电平(即低于阈值电流电平)的情况下，激光二极管将产生某些自发发射而没有激光输出(莱塞光)。随着电流电平的增加，二极管激光器经过了一个阈值，激光二极管媒体中多数在此阈值处被反相，激光器作用开始。
因此，在阈值电流以下，激光的发射量很少，且其发射效率很低。一旦电流电平超过了阈值，光输出就迅速增加。
被称之为激光二极管条(strips)或激光器阵列的高功率激光二极管是用把大量激光二极管制作在一个衬底上的方法制作的。该激光器输出功率电平正比于激光器阵列中激光二极管的数目。这种生产方法的显而易见的优点是低生产成本、可大量生产、小型化和高可靠性。其缺点是其开态器件电阻极其低(大大小于1欧姆)。
因为激光器阵列是采用把大量正向偏置的pn结器件(即激光二极管)并联连接起来而制造出来的，故随着阵列中激光二极管数目的增加，激光器阵列的开态电阻将变小。典型的数字是高功率激光器阵列开态电阻的范围在几个欧姆到小于0.01欧姆之间。同时，随着激光器阵列输出功率电平的增加(阵列中激光二极管的数目变大)，这些激光器的阈值电流电平将急剧增加。
脉冲化高功率激光器工作的调制方式是直接调制。在这种调制方式中，通过控制流入激光器阵列的电流对激光进行调制。对于高功率、高PRF的脉冲化激光器的操作，必须用激光驱动器以高PRF产生电流很大的脉冲，并将之供给到一个阻抗极低的负载(激光器阵列)上去。
现有的高功率脉冲化激光驱动器的性能主要依赖于高功率半导体开关(诸如可控硅(SCR)、功率场效应晶体管(功率FET)和IGBT(绝缘栅双极晶体管和功率双极晶体管))的性能。
现有的高功率脉冲化激光驱动器利用一种电路布局技术。在这种技术中，将高压电容器脉冲偏置，然后，通过打开功率半导体开关使其放出电能。这种驱动器具有很高的电路阻抗。由于驱动器电路(高阻抗)和激光器阵列(极低阻抗)之间的严重失配，大部分电能以热的形式损失掉，而未用于使激光器阵列工作。所产生的热量是如此之大，以致于必须要装一个电扇以便从驱动器处赶走这些热量。还有，因为激光器阵列的工作需要一定的电流电平，故损失掉的能量还必须靠增加偏置电压的办法予以补足。
这样一来，现有的高功率脉冲化驱动器被设计为具有很高的高功率容量。这就需要功率更高的半导体开关。(一般说来，随着半导体开关功率容量的增加，其上升和下降时间将变慢，且其PRF将迅速减小)。
随着现有激光驱动器功率处理容量的增大，激光驱动器的性能(诸如输出激光脉冲的上升和下降时间，脉冲宽度和PRF)急剧地恶化，同时，驱动器的外形尺寸和重量将迅速增加。
和激光器阵列相比。现有的高功率脉冲化驱动器既重又笨，且其性能(诸如上升和下降时间以及PRF)严重地受到限制。
除去峰值激光输出功率性能之外，脉冲化激光驱动器的其它重量且关键的参数是调制速度(高PRF)、脉冲宽度、效率、重量和小型化程度。目前还得不到以高PRF产生脉冲宽度很窄的高峰值功率光脉冲、同时又保持效率高、重量轻、体积小的脉冲化激光驱动器。
本发明的目的之一是提供一种能够以高PRF产生高峰值功率光脉冲的高功率脉冲化激光二极管驱动器。
本发明的另一目的是提供一种能够获得高电路效率、重量轻、体积小的高功率脉冲化激光二极管驱动器。
采用本发明，通过给出这样一种半导体激光驱动器就可以达到上述目的。这种半导体激光驱动器包括用于控制一个输入驱动信号的控制装置、用于接受由上述控制装置所控制的驱动信号并从而产生一种电能的电源调整和脉冲充电装置、用于从上述电源调整和脉冲充电装置接受上述电能并储存所接受到的电能的储能装置、用于在电能已存储于储能装置中时产生一个低功率光学激光的触发光源和驱动装置、用于把电容性充电的电能转换成一种高电流脉动的光学激活的半导体开关装置，以及一种用于把来自上述光学激活半导体开关装置的高电流脉动转换成高功率的待输出光学脉冲的高功率激光器阵列。其中，上述储能装置有一个储能电容器，该电容器的阻抗很低。
从参照附图进行的下述说明中，将会清楚本发明的其他目的和各利形态。
图1是一个方框图，它给出了本发明的一种高功率、高PRF、体积小的脉冲化激光二极管驱动器的结构。
图2a、2b分别是本发明一种储能电容器的平面图和沿图4a的A-A线所取的剖面图。这种电容器具有扇形非均匀阻抗条状线结构。
图3a和3b分别是本发明另一种储能电容器的平面图和沿图4a的A-A线剖开的剖面图，这种电容器具有同轴条状非均匀阻抗条状线构造。
图4a、4b分别是说明本发明具有均匀阻抗条状线构造的储能电容器与激光器阵列之间的合作关系的平面图和沿图4a的A-A线剖开的剖面图。
图5为说明本发明的储能电容器(具有非均匀阻抗条状线构造)和激光器阵列之间的合作关系的方框图。
图6a～6c是波形图，它们分别说明了具有非均匀阻抗条状线构造的储能电容器的能流顺序。
图7a～7c是波形图，它们分别说明了具有均匀阻抗条状线构造的储能电容器的能流顺序。
下边结合附图进行详细说明。
图1是一个方框图，说明本发明的高功率、高PRF、体积小的脉冲化激光二极管驱动器。
如图1所示，脉冲化激光二极管驱动器由控制部件100、电源调整和脉冲充电部件200、储能部件300、触发光源和驱动部件400、光学激活半导体开关部件500和高功率激光器阵列600组成。
控制部件100控制从输入级导入的信号，并将此受控信号送往电功率调整和脉冲充电部件200。控制部件100还把一个信号加到触发光源和驱动部件400上。
电功率调整和脉冲充电部件200用来自控制部件100的信号调整从AC电源线或电池供给的起始电能，接着把一定的能量送往储能部件300。电功率调整和脉冲充电部件200还把一定的能量送往触发光源和驱动部件400。
储能部件300包含有一个低阻抗电容器，该电容器具有均匀条状线构造或者非均匀条状线构造，并储存从电功率调整和脉冲充电部件200所接受到的能量。
触发光源和驱动部件400内含一个触发光源，用于一旦在储能部件300中的储能完成时接受到来自控制部件100的控制信号，就在被驱动的同时输出低功率(或中功率)的光学激光。
光学激活半导体开关部件500是一种开关。开关部件500被从触发光源和驱动部件400接受到的激光打开，把容性充电的静电能转化为高电流脉冲，再把这种脉冲送往高功率激光器阵列600。
高功率激光器阵列600输出在光学激活半导体开关部件500中被变换成高功率光学脉冲形式的高电流脉动。
应用来自控制部件100的信号对从AC电源线或电池供给的起始电能进行调整，然后用该起始电能给电容性充电储能部件300充电。
随着来自触发光源的光学光(用触发光源和驱动部件400的两个光导纤维的引出端供给)被导入光学激活半导体开关部件500，容性充电的静电能就被变换成了高电流脉动。
储能部件300不采用高压电容器和高功率半导体开关来调制激光器阵列，而采用均匀条状线构造或者非均匀条状线构造来作为储能电容器。这是因为均匀条状线构造和非均匀条状线构造这两者都可提供设计的灵活性、高电流效率，使体积小、重量轻。
特别值得一提的是，应用这样一种条状线构造，设计一个具有很低的电路阻抗的储能电容时将非常容易。借助于应用半导体开关所触发的激光二极管，功率半导体开关的关键性限制(诸如缓慢的上升时间和下降时间、低的PRF和宽的脉冲宽度等)都可容易地克服。
低阻抗储能电容器和低(或中)功率激光二极管进行触发的半导体开关的成功的组合所形成的体积小、脉冲化二极管驱动器，可以产生在高PRF下具有窄的脉冲宽度的高峰值功率光脉冲。
图2a、2b分别画出了本发明的具有扇形非均匀阻抗条状线构造的储能电容器。图3a、3b分别画出了本发明的具有同轴条状非均匀阻抗条状线构造的储能电容器。图4a和4b分别画出了在具有均匀阻抗条状线构造的储能电容器和本发明的激光器阵列之间的合作。图5画出了在具有非均匀阻抗条状线构造的储能电容器与本发明的激光器阵列之间的合作。
在那些储能部件300用具有扇形或同轴条形(分别示于图2a，2b和图3a，3b)非均匀阻抗条状线构造的储能电容器来构成的地方，条状线的电容和特性阻抗可用下式给出C＝ε0εrA/t，法拉(F)Z0=(377×t)/(ϵr×W)]]>
其中C为电容，A是电容的电极面积，ε0为自由空间的介电常数，t是电介质的厚度，εr是电介质的介电常数，Z0是条状线的特性阻抗，W是条状线电极的宽度。
精心地选择衬底材料的介电常数、电介质的厚度和电极的宽度，可设计出具有很低阻抗的储能电容器。
当把电能从低阻抗的电容器传送到高功率激光器阵列时，绝大部分电能被用于使激光器阵列工作。因此，在能量从电容传送往激光器阵列期间，低阻抗电容器大大减小了能量损失。
储能部件300的主要功能是以静电能量的形式暂时性地保存电能。但是，当接通能量阻截开关时，储能电容在和开关相接触的面积上的边界条件从打开状态变为闭合状态。一旦边界条件发生了变化，储存在电容器上的静电能量就变成为传送波并通过开关流向负载。
特别值得一提的是，如图5所示，当储能电容器被连到该匹配的负载阻抗上去时，它的作用类似于传输线。与其说它具有按RC时间常数衰减的放电波形曲线，不如说它产生了具有陡直上升和下降时间的电流脉冲。这些脉冲的脉冲宽度大约是储能电容器的双向波渡越时间。电流脉冲的幅度大于从均匀阻抗条状线上所得到的电流幅值，因为阻抗变换伴有增益因子。产生的电流幅度按下式给出I＝(g×V)(Zin＋Ron＋Rm)，安培(A)其中，g是由于在非均匀条状线构造的里边和外边的特性阻抗之间的阻抗变换形态所产生的增益因子(系数值g的范围为大于1、但小于2)。Rm是匹配的外部阻抗(包括激光器阵列的导通态阻抗)；V是脉冲偏置电压；Zin是里边的条状线的特性阻抗；Ron是半导体开关的导通态阻抗。在理想的匹配电阻的情况下(Ron可以忽略不计，且Zin和Rm相同)，所产生的电流脉冲如下式所示I＝(g/Rm)×(V/2)，安培(A)除去增益因子g之外，这个公式几乎就像是准确定义匹配的均匀条状线。增益因子g提供了附加的电路效率改进。因此，使用非均匀低阻条状线构造作为储能电容器的结果是产生了非常高的电路效率。
另一方面，当那些其储能部件300被一种具有均匀条状线构造的储能电容器所取代时(如示于图4a、4b的那种构造)，就像在具有非均匀阻抗条状线构造的情况下那样，电容C和条状线的特性阻抗给出如下C＝ε0εrA/d，法拉(F)Zo=(377×d)/(ϵr×W)---(Ω)]]>其中C是电容，A是电容器的电极面积，ε0是自由空间的介电常数，d是电介质的厚度，εr是电介质的介电常数，Z0是条状线的特性阻抗，W是条状线的电极宽度。
特别是当具有示于图4a、4b的均匀阻抗条状线构造的储能电容器被连接到匹配负载阻抗上去时，它将起到类似传输线的作用。与其说它具有按时间常数RC衰减的放电波形曲线，无宁说它产生了具有陡峭的上升和下降时间的电流脉冲。电流脉冲的幅度大于从非均匀阻抗条状线上获得的电流幅度，因为阻抗变换伴随有增益因子。所产生的电流幅度按下式给出I＝V/(2×Rm)，安培(A)这些脉冲的脉冲宽度约为渡越储能电容器的双向渡越时间并由下式给出 其中εr是电介质的介电常数，L(单位为厘米)是电极长度。
把操作指令发送到启动动作程序的控制部件100上去以启动驱动器的动作。首先，电功率调整和脉冲充电部件200被激活。调整来自交流电源线或电池的起始功率并用其对储能部件300的电容器进行脉冲充电。在电容器的脉冲偏置电压达到了峰值电压时，触发光源和驱动部件400被来自控制单元100的控制信号激活。
触发光源和驱动部件400以很高的PRF产生快速上升时间光脉冲。所产生的光脉冲被耦合到光导纤维的引出端，通过光导纤维尾部传送并用于激活半导体开关部件500。
一旦使触发光学光穿入半导体开关部件500的有源区，它就将产生足够数量的光生电子空穴对，使得开关的状态从完全打开(非导通)变成为完全闭合(导通)。
当开关闭合时，储存在储能部件300的电容器上的静电能量将以窄电流脉冲的形式进行放电。随着大大超过了阈值电平的电流脉冲流入激光器阵列，就产生出具有快速上升时间和下降时间的高功率激光光脉冲。
在图6a、6b和6c中画出了具有非均匀阻抗条状线构造的驱动器的能流顺序。当半导体开关部件500被触发时，所产生的光学脉冲形状和驱动电流脉冲的形状相同，只是输出激光脉冲的上升时间比驱动电流脉冲的上升时间快。但是，所产生的电流脉冲的脉冲宽度由触发光学脉冲的宽度和在储能电容器中波形渡越时间决定。在匹配良好的情况下，输出激光的脉冲宽度将约为储能电容器中的双向波形渡越时间，该脉冲宽度用下式表示 在阻抗严重失配的情况下，输出激光的脉冲宽度将或多或少地长于触发光学脉冲的脉冲宽度。这主要由于严重失配所导致的行波多次反射的缘故。
对于功率半导体开关来说，随着半导体功率开关的功率处理能力的增加，开关的上升时间和下降时间都将变慢，而且其接通时间将变得越来越长。依此顺推，随着这些开关的功率处理容量的慢慢增加，功率半导体开关的PRF性能将会迅速地降低。
与其说用高功率半导体开关产生电流脉冲，倒不如说借助于用低或中功率激光二极管来产生快速上升时间学光脉冲并用其作触发光，半导体激光驱动器就能产生快速上升时间的高电流脉冲。
当在驱动器具有示于图4a和4b的那种均匀阻抗条状线构造的情况下半导体功率开关部件500被触发时，除了输出激光脉冲的上升时间比驱动电流脉冲的上升时间快之外，所产生的光脉冲的形状和驱动电流脉冲的形状非常相象。所产生的电流脉冲的脉冲宽度取决于触发光脉冲的脉冲宽度和储能电容器的波形渡越时间。
匹配良好的情况下，输出激光的脉冲宽度，在非均匀阻抗条状线构造储能部件300的情况下，约为储能电容器中的双向波形渡越时间，就如图7a到7c所示的那样。该脉冲宽度可由下述等式表示 和非均匀阻抗条状线构造相比，按效率来说，均匀阻抗条状线构造或多或少是不够的。这是因为均匀阻抗条状线构造不能产生电流脉冲的任何增益g。但是，均匀阻抗条状线构造却可以得到边沿陡峭的高输出脉冲，因为利用其良好匹配阻抗的优势可以消除传送波的多次反射。
因此，均匀条状线构造的几何学效应使之可以设计成具有很低阻抗的小型储能电容器。这种低阻抗电容器在能量从电容器传往激光器阵列期间大大减少了能量损失。
如此得到的脉冲化驱动器极其有效地消除了对高功率电源和散热风扇的需要。
从上述叙述可知，本发明提供了一个高功率脉冲化激光驱动器。它包括一个具有非均匀条状线构造或均匀条状线构造的低阻抗储能电容器。因此，得以大大减少激光器阵列的电能损失，同时维持高的效率，轻的重量和小的体积。
尽管为了进行说明，已公开了本发明的较佳实施例，但本领域的普通技术人员将清楚和了解在不偏离本发明所附权利要求所公开的范围和精神的前提下可以对其作出多种修改。
权利要求
1.一种半导体激光驱动器，它包括用于控制输入驱动信号的控制装置、用于接受由上述控制装置控制的上述驱动信号从而产生一种电能的电功率调整和脉冲充电装置、用于从上述电功率调整和脉冲充电装置接受上述电能并把所接受到的电能储存起来的储能装置、用于在电能已被储存于储能装置中时产生低功率光学激光的触发光源和驱动装置、用于把电容性充电电能转变成高功率脉动的光学激活半导体开关装置，以及用于把从上述光学激活半导体开关装置所接收到的高电流脉动转换成将被输出的高功率光脉冲的高功率激光器阵列，其中，上述储能装置包含有一个阻抗很低的储能电容器。
2.如权利要求1的半导体激光驱动器，其特征是上述储能电容器具有同轴条形的非均匀阻抗条状线构造。
3.如权利要求1的半导体激光驱动器，其特征是上述储能电容器具有扇形非均匀阻抗条状线构造。
4.如权利要求1的半导体激光驱动器，其特征是上述储能电容器具有均匀的阻抗条状线构造。
全文摘要
一种高功率脉冲化激光驱动器，包含有一个具有非均匀条状线构造或均匀条状线构造的低阻抗储能电容器，因此，可以大大减小激光器阵列的电能损失，同时又保持了高效率、重量轻和体积小的优点。
文档编号H03K17/00GK1132953SQ9510421
公开日1996年10月9日 申请日期1995年4月13日 优先权日1994年4月14日
发明者郑亨东 申请人:科斯默激光株式会社